5. Phƣơng pháp nghiên cứu
1.6 Ƣu và nhƣợc điểm của phƣơng pháp quang phổ Raman
1.6.1. Ưu điểm
Các phƣơng pháp phân tích thông thƣờng thƣờng hay đi đôi với việc chuẩn bị mẫu nhƣ nghiền, hòa tan, lắc siêu âm, lọc, chiết, tách… đôi khi rất mất công mà lại còn làm ảnh hƣởng đến bản chất của chất phân tích. Ví dụ nhƣ việc nghiền mẫu dẫn đến thay đổi một số trạng thái rắn nhƣ trạng thái ngậm nƣớc, dạng đa hình, và các liên kết hydro. Phƣơng pháp phân tích quang phổ Raman hầu nhƣ không yêu cầu việc chuẩn bị mẫu, vì vậy mà tiết kiệm về thời gian, không cần sử dụng thêm các dụng cụ bổ trợ khác, tiết kiệm công sức và tiết kiệm chi phí.
Có thể đo phổ Raman trực tiếp xuyên qua các bao bì đựng, các chai lọ thủy tinh, các vỏ bao film… mà không cần phải xâm lấn vào các cấu tạo bên trong mẫu, không làm hỏng cấu tạo của thành phẩm, ảnh hƣởng đến mẫu đo và vì vậy, không làm gián đoạn hoặc gây hao phí trong quá trình suẩn xuất. Điều này rất thuận tiện trong việc theo dõi và kiểm soát chất lƣợng sản phẩm trong các khâu của quá trình sản xuất dƣợc phẩm.
Phƣơng pháp quang phổ Raman có thể phân tích đƣợc chỉ với một lƣợng mẫu nhỏ. Điều này rất quan trọng trong việc đánh giá sự đồng nhất của mẫu đo, phân tích để phát hiện các chất chỉ với một lƣợng mẫu nhỏ. Ngoài ra, nó còn có ý nghĩa trong quá trình theo dõi các phản ứng hóa học, bởi vì ở giai đoạn đầu của phản ứng thì sản phẩm tạo ra là rất ít và khó để nhận biết đƣợc.
Phép phân tích vừa đơn giản, không phải chuẩn bị mẫu và vừa cho kết quả nhanh. Điều này giúp tiết kiệm thời gian phân tích, do đó chúng ta sẽ sớm có kết luận trong các phép phân tích định tính xác định mẫu đo.
Việc đo quang phổ Raman khá dễ dàng, vì vậy việc đào tạo để sử dụng đƣợc một thiết bị quang phổ Raman sẽ rất đơn giản, áp dụng đƣợc cho nhiều loại đối tƣợng phổ thông khác nhau mà không nhất thiết phải có kiến thức chuyên sâu. Việc sử dụng dễ dàng nhƣ vậy giúp máy quang phổ Raman ngày càng đƣợc phổ cập hơn, phƣơng pháp phân tích phổ Raman đƣợc ứng dụng trong nhiều ngành nghề khác nhau hơn, nhất là trong công tác Hải quan và Pháp y, những ngành cần phải cho kết quả sàng lọc nhanh, độ tin cậy cao.
Sự ra đời của thiết bị FT-Raman với độ lặp lại cao tạo điều kiện cho sự phát triển các đầu thu có khẩu độ lớn, cho phép tia laser tập trung đƣợc vào một lƣợng mẫu lớn hơn, tín hiệu Raman thu đƣợc nhiều hơn, và chúng ta phân tích đƣợc một lƣợng mẫu lớn hơn khi cần thiết.
Nƣớc hấp thu tán xạ Raman kém, vì vậy rất thuận tiện cho việc đo phổ của các chất ở dạng dung dịch trong nƣớc.
Đầu dò sợi quang sử dụng công nghệ của cáp quang giúp kích thích và thu tín hiệu Raman ở một khoảng cách xa, ở trong những điều kiện độc hại, đo mẫu trong lòng của bao bì đựng lớn, điều kiện môi trƣờng có nhiệt độ cao… Khi nói đến phổ dao động phân tử, quang phổ Raman và IR luôn có quan hệ mật thiết với nhau, có tính chất bổ sung cho nhau trong trong các phép phân tích xác định cấu trúc phân tử. So với phƣơng pháp quang phổ IR thì phƣơng pháp phân tích phổ Raman có một số lợi thế hơn nhƣ sau:
+ Đối với các hợp chất hút ẩm và các hợp chất nhạy trong không khí, cho vào ống thủy tinh nút kín rồi thu phổ Raman, trong phổ IR thì ống thủy tinh hấp thụ bức xạ IR.
+ Đo phổ trong dung dịch nƣớc trong Raman dễ hơn IR, vì nƣớc có tán xạ Raman rất yếu, trong khi nƣớc cho phổ hồng ngoại mạnh.
+ Các máy quang phổ Raman bộ phận kích thích thƣờng trang bị cùng thấu kính hiển vi, giúp phân tích tập trung hơn nên chỉ cần một mẫu diện tích nhỏ là có thể thu nhận đƣợc phổ, quang phổ hồng ngoại không có tính chất này.
+ Nhờ bƣớc sóng laser kích thích ngắn hơn là bƣớc sóng trong vùng hồng ngoại nên tia laser có khả năng đâm xuyên cao hơn, thu đƣợc tín hiệu từ sâu bên trong mẫu hơn, bên cạnh đó, cũng do nƣớc và thủy tinh không hấp thụ phổ Raman mà phƣơng pháp quang phổ Raman có thể dùng để định lƣợng chất rắn trong viên, chất lỏng trong dung dịch nƣớc. Phổ IR không có đƣợc điều này và nó chủ yếu là dùng để định tính.
1.6.2. Nhươc điểm và các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình đo phổ
Tuy đã đƣợc phát triển từ rất lâu, có rất nhiều ƣu điểm, nhƣng chi phí cho các thiết bị quang phổ Raman còn rất cao, nên nó rất khó để đƣợc sử dụng rộng rãi nhƣ một phép phân tích thông thƣờng. Những yếu tố quan trọng nhất ảnh hƣởng đến phép đo phổ Raman đó là hiện tƣợng huỳnh quang, sự nóng lên của mẫu đo, sự hấp thụ phổ Raman bởi nền mẫu hoặc mẫu và ảnh hƣởng của độ phân cực.
Nếu nền mẫu đo cho huỳnh quang, tín hiệu của phép đo sẽ có những thành phần huỳnh quang trong đó.
Tín hiệu huỳnh quang xuất hiện khi bƣớc sóng laser kích thích trùng lặp với một dải hấp thụ của mẫu đo. Huỳnh quang thƣờng phủ lên tín hiệu Raman, nó nhƣ là một nền dốc khá phẳng, có thể gây ra một đƣờng nền ảo với độ nhiễu thấp và làm giảm tỉ lệ S/N của các tín hiệu Raman. Dải bƣớc sóng và cƣờng độ huỳnh quang phụ thuộc vào thành phần hóa học của vật liệu phát huỳnh quang. Bởi vì tín hiệu huỳnh quang thƣờng mạnh hơn tín hiệu Raman nên chúng thƣờng bao phủ và làm suy giảm đáng kể tín hiệu Raman. Muốn triệt tiêu hoặc hạn chế huỳnh quang chúng ta thƣờng sử dụng các detector vùng NIR. Tuy nhiên, việc giảm tín hiệu huỳnh quang bằng cách sử dụng nguồn laser kích thích có bƣớc sóng dài một phần nào đó cũng làm giảm cƣờng độ của tín hiệu Raman. Chính vì vậy để tỷ lệ S/N của tín hiệu lớn nhất, chúng ta phải tính toán để cân bằng giữa các yếu tố: loại bỏ huỳnh quang, cƣờng độ phát hiện và sự đáp ứng của detector. Huỳnh quang chất rắn đôi khi đƣợc giảm thiểu bằng cách chiếu bức xạ laser vào mẫu đo một khoảng thời gian trƣớc khi đo. Quá trình này đƣợc gọi là photobleaching, nó là quá trình làm giảm các loại hấp thụ cao. Photobleaching kém hiệu quả hơn trong chất lỏng, nơi có các mẫu di động.
Quá trình chiếu laser kích thích, có thể làm nóng mẫu và gây ra một loạt các ảnh hƣởng nhƣ làm thay đổi trạng thái vật lý của mẫu (nóng chảy), chuyển đổi dạng thù hình, đốt cháy hoặc làm phân hủy mẫu. Nguy cơ làm nóng mẫu tăng khi công suất nguồn laser lớn hoặc kích thƣớc của nguồn laser càng nhỏ (độ tụ cao) trong trƣờng
hợp sử dụng thấu kính hội tụ. Vấn đề này thƣờng xảy ra với các chất màu, chất hấp thụ ánh sáng tốt hoặc các hạt nhỏ có khả năng truyền nhiệt kém. Những ảnh hƣởng của việc làm nóng mẫu lên quá trình thu phổ Raman có thể nhận ra khi quan sát trực tiếp mẫu đo hoặc qua quan sát phổ đồ. Một số cách đơn giản làm giảm sự nóng lên của mẫu đó là giảm thông lƣợng tia laser, di chuyển mẫu hoặc chùm laser trong quá trình đo, tăng tính truyền nhiệt của mẫu bằng cách cho tiếp xúc với các vật dẫn nhiệt tốt.
Sự hấp thụ các tín hiệu Raman bởi nền mẫu hoặc mẫu đo cũng có thể xảy ra. Tuy việc sử dụng laser NIR để kích thích cùng với hệ thống FT-Raman làm giảm hiện tƣợng huỳnh quang, nhƣng chính việc sử dụng laser NIR lại ảnh hƣởng lớn đến sự thu tín hiệu Raman. Các ảnh hƣởng này nhiều hay ít phụ thuộc vào hệ quang của máy quang phổ Raman và phụ thuộc vào bản chất của mẫu đo. Tuy nhiên, sự ảnh hƣởng này không quá nặng nề nhƣ trong việc đo phổ hấp thụ NIR bởi vì với bƣớc sóng dài thì độ xâm nhập vào bên trong mẫu đo của chùm laser là ít, tín hiệu Raman thu đƣợc chủ yếu là từ lớp mỏng ngoài cùng và vì lớp này mỏng nên độ hấp thụ tín hiệu Raman là không đáng kể.
Cuối cùng, chúng ta cần phải nhớ rằng bức xạ laser là phân cực, vì vậy phổ Raman của mẫu tinh thể cũng nhƣ các mẫu có cấu trúc định hƣớng có thể khác nhau phụ thuộc vào cách mà chúng đƣợc tạo thành. [19]
CHƢƠNG 2. ỨNG DỤNG CỦA PHỔ DAO ĐỘNG RAMAN TRONG ĐỜI SỐNG
2.1. Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất
2.1.1. Ứng dụng trong công nghiệp sơn
Nhựa lactic là một thành phần quan trọng trong việc phát triển hệ thống sơn ngậm nƣớc. Ngƣời ta thƣờng sản xuất nhựa lactic bằng phƣơng pháp polyme hóa nhũ tƣơng. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là có thể kiểm soát đƣợc kích thƣớc và hình dạng của các cao phân tử polyme. Tuy nhiên, việc nghiên cứu sử dụng phƣơng pháp này vẫn gặp khó khăn trong nhiều năm. Nguyên nhân là do phổ của các hợp chất polyme hóa thƣờng không rõ bởi sự hiện diện của nƣớc (ví dụ nhƣ phổ ở vùng gần hồng ngoại). Nhờ có phổ Raman, việc nghiên cứu trở nên dễ dàng hơn vì loại bỏ đƣợc ảnh hƣởng của nƣớc đến chất lƣợng dải phổ. Bằng cách sử dụng phổ FT-Raman, ngƣời ta có thể theo dõi quá trình polyme hóa của một hợp chất cao phân tử.
Có 4 thành tố chính tạo thành quá trình polymer hóa: các đơn phân tử không tan trong nƣớc, nƣớc, chất mồi và chất chuyển thể sữa. Trong đó các đơn phân tử thƣờng dùng gồm 3 loại: BA (butyl acrylate), MMA (methyl methacrylate), và AMA (allylmethacrylate). Bằng cách quan sát phổ FT-Raman của các đơn phân tử theo thời gian, ngƣời ta sẽ hiểu rõ quá trình polymer hóa xảy ra nhƣ thế nào, có những thay đổi nhƣ thế nào, quá trình chuyển từ thể lỏng sang rắn thay đổi nhƣ thế nào, mật độ pha chất, thời gian phản ứng ảnh hƣởng nhƣ thế nào đến chất lƣợng sản phẩm.
Hình 2.1: Phổ FT-Raman của các đơn phân tử: (a) BA, (b) MMA, (c) AMA. Bảng nhỏ thể hiện vùng phổ C=C
Hình 2.1 thể hiện phổ FT-Raman của các đơn phân tử BA, MMA, AMA. Cần chú ý đến vùng phổ C=C nằm ở các mức và . Theo thời gian phản ứng polyme hóa nhũ tƣơng xảy ra, số lƣợng nối đôi C=C này sẽ giảm dần đi. Hình 2.2 thể hiện sự thay đổi của mật độ nối đôi phụ thuộc vào thời gian phản ứng. Nhận xét thấy là sau thời gian khoảng 2 đến 3 tiếng, mật độ nối đôi giảm chỉ còn từ 5% đến dƣới 20%.
Hình 2.2: Mật độ của nối đôi C=C thay đổi theo thời gian
Hình 2.3: Mối liên hệ giữa tỉ lệ nồng độ giữa hai dải và
với mật độ chất rắn xuất hiện trong quá trình nhũ hóa.
đo giữa dải CH2 biến dạng và dải nền ( ). Kết quả cho thấy tỉ lệ là 1:1 ở mức 12% chất rắn, tăng lên 2:1 ở 24%. Một thí nghiệm khác cho thấy nếu xét dải nền ở thì sẽ đạt mức 10:1 ở 7% chất rắn, tăng lên 70:1 ở 35%. Điều này cho thấy phổ càng rõ khi tỉ lệ % chất rắn đƣợc tạo ra càng tăng. [1]
2.1.2. Ứng dụng trong công nghiệp nhộm
Để xác định phẩm chất của thuốc nhuộm (phẩm màu), ngƣời ta thƣờng sử dụng phổ của nó. Phổ Raman không cho ra kết quả tốt do các phẩm màu này thƣờng phát huỳnh quang khi bị kích thích trong vùng khả kiến. Do vậy, ngƣời ta chuyển sang sử dụng phổ FT-Raman. Ƣu điểm của phổ này là nó làm giảm ảnh hƣởng của huỳnh quang hoặc các tác nhân khác. Tuy nhiên, trong quá trình thu phổ, ngƣời ta thấy phổ FT-Raman thu đƣợc lại là phổ của sợi đã đƣợc nhuộm. Do vậy, để thu đƣợc chính xác phổ của thuốc nhuộm, ngƣời ta phải trừ phổ thu đƣợc với phổ của sợi chƣa đƣợc nhuộm.
Ở đây, chúng ta sử dụng phổ FT-Raman để khảo sát các chất nhuộm trong sợi acrylic. Sợi acrylic bao gồm acrylinitrile (94%) và hợp chất cao phân tử methacrylate (6%). Hình 2.4 cho thấy phổ FT-Raman của các sợi đã đƣợc nhuộm màu xanh, đỏ và sợi chƣa nhuộm màu. Có thể thấy các phổ có dạng tƣơng đồng tuy nhiên số lƣợng và vị trí các đỉnh có khác nhau.
Hình 2.4: Phổ FT-Raman của các sợi: (a) nhuộm xanh, (b) nhuộm đỏ, (c) chƣa nhuộm
Nhƣ đã nói ở trên, để có phổ của chất nhuộm màu xanh thì ngƣời ta phải lấy phổ (a) nhuộm xanh trừ phổ (c) chƣa nhuộm. Kết quả là thu đƣợc phổ nhƣ hình 2.5 So sánh phổ này với phổ FT-Raman của cobalt thì ta thấy dạng phổ là rất giống nhau. Từ đây cho phép ta kết luận, màu xanh của chất nhuộm là của cobalt.
Hình 2.5: Phổ FT-Raman của (a) sợi màu xanh sau khi đã trừ cho phổ của sợi chƣa nhuộm; (b) cobalt nguyên chất
Đánh giá:
Phƣơng pháp này có ƣu điểm so với phƣơng pháp phổ hồng ngoại ở chỗ phổ hồng ngoại sẽ bị hấp thụ mạnh ở hợp chất polyme nên nó sẽ không thể bị loại trừ trên máy tính. Tuy nhiên, việc lấy phổ ở đây phải diễn ra nhanh do chỉ có một số ít thuốc nhuộm (khoảng 1 đến 2%) là cho ra các dải phân biệt đƣợc, phần còn lại chịu ảnh hƣởng của sợi acrylic nên bị nhiễu. Ngƣời ta có thể khắc phục bằng cách kết hợp thêm giảm kích cỡ của thiết bị thu để giảm kích cỡ của sợi. [1]
2.1.3. Ứng dụng trong cộng nghiệp thực phẩm
Trƣớc đây, ngƣời ta có nhu cầu nghiên cứu về thành phần của thực phẩm bằng phƣơng pháp Raman. Tuy nhiên, phƣơng pháp này gặp khó khăn khi gặp hiện tƣợng phát xạ huỳnh quang. Sau này, FT-Raman ra đời khắc phục hiện tƣợng này thì việc nghiên cứu mới phát triển.
Một ứng dụng FT-Raman trong công nghiệp thực phẩm là khảo sát chỉ số iod trong các loại chất béo nhƣ: dầu, bơ, mỡ. Chỉ số iod là khối lƣợng iod có thể thêm vào 100 g chất béo, đặc trƣng cho mức độ chƣa no của acid béo. Trong công nghiệp thực phẩm, sản phẩm chỉ số iod càng cao thì sản phẩm đó càng tốt cho sức khỏe. [1]
Có nhiều cách để xác định chỉ số iod. Một cách trong số đó là sử dụng phƣơng pháp thừa trừ: cho dƣ một lƣợng iod vào chất béo, xác định lƣợng iod thừa còn lại (bằng sô đa), rồi trừ lại với lƣợng ban đầu sẽ cho ra lƣợng iod đã phản ứng. Một cách khác cho kết quả chi tiết hơn là xác định lƣợng nối đôi còn dƣ lại trong acid béo để biết lƣợng iod còn có thể thêm vào.
Có 2 loại cấu hình nối đôi trong acid béo chƣa no: cis và trans (xem hình 2.6). Trong phổ Raman, cis nằm ở mức , trans nằm ở mức – , còn cấu hình (CH2-CH2) no nằm ở mức . Hình 2.7 và 2.8 cho ta hình ảnh phổ của một số loại acid béo. Trong đó có các đỉnh thể hiện trong đó có cis, trans hoặc cấu hình no.
Hình 2.6: cấu hình cis/trans của acid béo chƣa no
Hình 2.7: Phổ FT-Raman của: (a) dầu hƣớng dƣơng; (b) dầu bắp; (c) dầu vừng; (d) dầu hạt; (e) dầu oliu
Hình 2.8: Phổ FT-Raman của (a) đậu phộng; (b) mỡ bò; (c) bơ
Chỉ số iod cao hay thấp sẽ đƣợc xác định dựa vào tỉ lệ của cis/trans so với tỉ lệ cấu hình no. Hình 2.9 cho thấy sự phụ thuộc của chỉ số iod vào tỉ lệ
Hình 2.9: đồ thi so sánh chỉ số iod với tỉ lệ cƣờng độ
2.1.4. Ứng dụng trong công nghiệp hóa dầu
Trong công nghiệp hóa dầu, ngƣời ta thƣờng pha trộn nhiều loại phụ gia và hóa chất khác nhau vào sản phẩm. Ví dụ nhƣ yêu cầu về việc xăng phải không chì mà vẫn giữ hiệu quả đối với các động cơ đã giảm tỉ lệ nén, các công ty xăng dầu phải thay đổi thành phần chất tham gia để có thể tăng thêm nhiều nhánh ankan và aromatic bằng
cách thêm vào các chất phụ gia nhƣ benzen, toluen. Khi đó, nhu cầu cần đặt ra là phải khảo sát xem tỉ lệ thành phần nào là tốt nhất, hiệu quả nhất.
Tuy nhiên, việc khảo sát thành phần các chất có trong xăng dầu thƣờng gặp khó